No es necesario usar un AO diferencial, tendrias que usar uno configurandolo como amplificador sin invertir. Ojo que para tener todo el rango dinamico, necesitas uno rail-a-rail.
Si además tienes que restar, tendras que pone una señal de referencia de 10V para la resta, un poco mas de electronica.
Aun así, con un divisor bien calculado no deberias tener muchos problemas, bueno con capturas de 10bit en el ADC en las placas arduino pierdes bits por lo "bien" que tienen hecho el diseño: unos 13dBFS, no esta mal! Unos 20mV en todo el rango que si lo multiplicas por 3, son nada mas y nada menos que 60mV en error de quatizacion.